太阳能发电系统最大功率输出控制器的研制.pdf

太陽能發電系統最大功率輸出控制器之研製蘇信銘明新科技大學電機系摘要近年來由於地球溫室效應加遽使得具環保的再生能源技術廣受重視，目前在業界已經有足與傳統發電機相抗衡的可靠而且合乎成本效益的再生能源技術被開發出來，而太陽能發電由於有先進的電力電子技術輔助，使之已成為深具潛力的再生能源之一。本計畫主要目的在於建立一個太陽能發電系統，其中包括一個太陽能最大輸出功率控制器及一個蓄電池充電器。本計畫預建立一個太陽能發電展示系統，此系統具有以下三點優點。首先本系統將可以彰顯本系的特色，在研發本系統過程中，已經同時發展了電力電子轉換器的基礎技術，最後在教學上，本計畫的成果將可以結合電力電子課程並倡導再生能源的利用，使學生在專業技術上以及在保護環境的環保觀念上都有正面的教育意義。本計畫依序從研析理論著手，接著是進行控制器的設計與模擬，最終實做完成了本系統的硬體電路並測試其效能。關鍵字 太陽能發電系統，最大輸出功率追蹤Implementation of a Maximum Output Power Controller for Photovoltaic Systems S.M. Sue Department of Electrical Engineering Minghsin University of Science and Technology Abstract The renewable energy technologies have gained increasing attentions recently for the agreement on global reduction of greenhouse gas emissions. Many renewable energy technologies are well developed, reliable and cost competitive with the conventional generators. Because the progress of advanced power electronic technologies, solar energy has became one of the effective renewable energy sources. The major purpose of this project is to establish a photovoltaic system that mainly involves a maximum output power tracking controller and a battery storage bank. After this work, a demonstrated photovoltaic system for battery charger will be established and the following merits are achieved. First, this photovoltaic system can expose one of the characteristics in the EE department of MHIT. Also during the development of this system, the key technologies of the power electronic converters are extensively surveyed. In the teaching advantages finally, in addition to provide a technical training in the power electronic converter course, it can also awake the environmental sense of the students. This project began with extensive survey of the relevant theories and some simulations were conducted. Finally the solar energy based battery charger was implemented by electrical analog circuits.Keywords photovoltaic system, maximum output power tracking 1. 前言自西元 1975 年能源危機爆發後，世界各國無不努力尋找各種替代能源以減輕對石化燃料的依賴，再加上近年來人類逐漸瞭解地球溫室效應對整體環境的嚴重威脅之後，積極尋找與研發既環保又可行的替代能源更是當務之急。舉凡地熱發電、潮汐發電、水力發電、風力發電、太陽光發電等各國都有投入研究，而其中的太陽能發電技術由於太陽能電池元件及系統方面的積極研究發展與進步，近幾年逐漸受到世界各國的重視 [1]，包括德國、美國、瑞士、挪威、荷蘭日本與中國大陸都投入研究群正積極研發中 [1] 。在地理環境上，台灣位於亞熱帶並且接近赤道，終年日照量充足，發展太陽能發電的天然條件比美、日都優越，其發展潛力不言而喻，加上近年來台灣經濟富裕、重視環保且半導體業蓬勃發展，研發技術日益進步，發展太陽能發電技術將是一個正確的方向。本計畫是基於以上的背景所提出，而其目的與重要性有三點，茲分述如下1建立一個太陽能發電系統以彰顯本系的特色。本系目前設有電能科技組，其研究專長包括電力電子與電力系統領域。而太陽能發電系統的建立有賴於電力電子控制與電力系統運轉的結合。近來更由於電力電子控制技術的蓬勃發展，使得高性能且高效率的能量轉換得以實現。因此透過本計畫所建立的太陽能發電系統恰可同時彰顯本系電能科技組的特色。2在研究上，本計畫將可以同時發展電力電子轉換器的基礎技術。在太陽能發電系統之中，主要是利用先進的電力電子控制技術做電能的轉換。其中將包括各種直直流轉換器與直交流轉換器的應用與研究 [2-20]， 因此本計畫的執行將可深入探討電力電子轉換器的基礎技術，以作為將來應用於不同領域的基礎。3在教學上，本計畫的成果將可以結合電力電子課程和環保太陽能的利用，使學生無論在專業技術上或在對保護地球的環保觀念上都有正面的教育效果。本系目前在二技與四技均有開設電力電子實習與正課供學生選修，正課內容偏重於理論解析而實習內容則專於培養學生的實作能力。若在此一理論與實務兼重的課程之外再輔以展示一個太陽能發電系統，則學生將對專業的電力電子轉換器應用有更具體的體會之外更能啟發其環保的觀念。國內外有關本計畫之研發情況中，國內電力電子學術界如清華大學、成功大學及其他技術學院均有知名教授研究太陽能發電系統，國內論文主要發表於每年舉辦的電力研討會或中國工程師學刊中 ;而國外方面，其發展之相關論文詳見參考文獻 [2-20] 。2. 太陽光發電系統介紹太陽光發電系統是目前再生能源發電系統中具有潛力的再生能源之一。吾人可將其分為獨立運轉型及與電力系統併聯運轉型兩大類。前者應用於如尚未鋪設電力網的偏遠地區，因此常要配合儲能系統或其他型式發電機系統；後者藉併聯於電力系統作為輔助系統，可提供負載連續可靠的供電，但是需要考慮一些併聯運轉時供需協調與保護措施。太陽電池之端電壓、線電流特性，基本上可用一數學模式近似為1eIIIIRVAKTqoss2-1 上式中，V 太陽電池端電壓I太陽電池線電流Is某日照量與溫度下大陽電池的短路電流Io太陽電池於某溫度下之反向飽和電流A 太陽電池單元的理想因素，大小在 15 之間K 波茲曼常數T絕對溫度q電子電荷量Rs太陽電池等效串聯電阻參考圖 1 太陽電池等效電路，並從式 2-1 中假設二極體電流為 ID1eIIIRVAKTqoDs2-2 則吾人便利用圖 2-3 的等效電路來表示太陽電池之電路模式。IDRSVI_I S圖 1 太陽電池之等效電路由圖 1 及式 2-2 可知太陽電池之短路電流可依太陽光之日照量大小而視為一等效電流源，而等效二極體之電壓與電流關係則與太陽電池絕對溫度 T 及電阻 Rs 有關。由於單個太陽電池單元 solar cell 產生電能量太小，因此可以由數十個單元封裝組成一模組 solar module， 或再由數個模組排列串併聯而成為陣列 solar array。 在本計畫中採用永炬光電公司所生產 SM50型式太陽電池為每個模組由 36 個太陽電池單元組成，每個模組均提供正負兩端接點，本計畫採購二個模組串聯成一個陣列 。 根據永炬光電公司測詴部門提供一組在標準測詴條件下 SM50 的電壓電流特性數據，但是為了方便數學上的理論分析，吾人必須將以上 SM50 太陽能電池的特性予以數學模式化，如果採用廠商所提供的電壓電流特性數據為標準，採式 2-1 與 2-2 為太陽能電池的數學模式，則經過數值運算軟體的分析與模擬，茲將修正的 SM50 太陽能電池參數重新條列如下在標準測詴條件下 STC 1 2mkW ， 25 C 最大輸出功率 50.7 W 最大輸出功率點電流 2.98 A 最大輸出功率點電壓 17.01 V 短路電流 3.27 A 開路電壓 21.6 V 太陽電池單元的理想因數 A 1.71528 波茲曼常數 1.381e-23 J/ ok 電子電荷量 q 1.6e-19 Coulomb 太陽電池等效串聯電阻 Rs 0.25Ohm 太陽電池短路電流溫度係數 0.004A/ ok 太陽電池開路電壓溫度係數 -0.085V/ ok 接著吾人定義 S 為日照量基數，當日照量為 1000W/m 2時， S1.0，當日照量為 0W/m 2時， S0.0，則在日照量為 S 時之短路電流 I SCS I SCS1*S 。在日照量為 S 時之開路電壓 V OCS V OCS1-1.5*1-S 。根據以上所分析獲得的 SM50 參數，以電流對電壓特性，功率對電壓特性以及功率對電流特性等三種特性，利用模擬軟體模擬的結果與測詴資料同繪於座標平面上如圖 2 所示。由模擬軟體的曲線逼近技巧，吾人將 SM50 近似的參數鑑別出來之後就可以依照此一數學模式，對於變動參數環境之下的太陽電池特性做進一步的分析，吾人經由此分析的結果可以更深入了解太陽電池特性，進而設計出更實用轉換效率更高的太陽電池發電系統。0 5 10 15 20 2500.511.522.533.5voltA0 5 10 15 20 250102030405060vWaI-V 特性 * 測詴數據，連接線 曲線逼近 bP-V 特性 *測詴數據，連接線 曲線逼近 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50102030405060AW0 5 10 15 20 2500.511.522.533.5Iout v.s. Vout at different sunshinevoltA1000W/m2 800W/m2 600W/m2 400W/m2 200W/m2 cP-I 特性 * 測詴數據，連接線 曲線逼近 圖 2 SM50 測詴與曲線逼近的特性曲線 圖 3 不同日照量下的 I-V 特性曲線一般而言實際的太陽電池都裝置於戶外容易受到日光照射之處，並且考慮所處的經緯度來決定裝置方向與傾斜角度以獲得最大的ㄖ照量，由於太陽一天中由東邊上昇由西邊下降，因此太陽電池所受的ㄖ照量與表面溫度可說是時刻都在變動。觀察式 2-1 與 2-2 太陽電池的數學模式，吾人發現其 V-I 曲線是深受太陽電池所受的ㄖ照量 S 與表面溫度 T 的影響。為方便說明太陽電池在變動的ㄖ照量與表面溫度下的特性，定義以下的變數符號I SC0在 1000W/m 2日照量下，太陽電池的短路電流。I SCT,S在日照量 S，溫度 T 之下，太陽電池的短路電流。TC ISC太陽電池的短路電流溫度係數。Tref參考絕對溫度。V OC0在 1000W/m2日照量下，太陽電池的開路電壓。V OCT,S在日照量 S，溫度 T 之下，太陽電池的開路電壓。TC VOC 太陽電池的開路電壓溫度係數。定義以上符號之後，吾人依序針對不同日照量 S，不同溫度 T 以及不同等效串聯電阻 RS 等變動參數下，將先前所鑑別出的太陽電池參數代入式 2-1 與 2-2 ，並以數值軟體模擬太陽電池的特性曲線的變動情況。圖 3 是 SM50 在溫度不變，不同日照量下的 I-V 特性曲線，由於在不同日照量下，太陽電池的短路電流與日照量成正比例，所以在日照量 S 與參考溫度 Tref 之下太陽電池的短路電流 ISCS,Tref為ISCS,TrefI SC0*S 2-3 而太陽電池的開路電壓因為隨著日照量的減小有略微減小，所以從實驗數據所獲得的資料估計，在日照量 S 與參考溫度 T ref 之下太陽電池的開路電壓 V OCS,Tref可以近似為V OCS,T ref V OC0-1.5*1-S 2-4 觀察圖 3 吾人發現，在溫度不變，日照量越小時，太陽電池的最大輸出電流越小，太陽電池的最大輸出電壓也略微減小。圖 4 是 SM50 在溫度變動，固定日照量下的 I-V 特性曲線，由於在溫度變動，太陽電池的短路電流具有正溫度係數，所以在日照量 S1 與溫度 T 之下太陽電池的短路電流 ISCS1,T 為ISCS1,TI SC0TC ISC *T-T ref 2-5 而太陽電池的開路電壓因為具有負溫度係數，所以從實驗數據所獲得的資料估計，在日照量 S1 與溫度T 之下太陽電池的開路電壓 V OCS1,T 可以近似為V OCS1,T V OC0TC VOC*T-T ref 2-6 觀察圖 4 吾人發現，在溫度增加，日照量不變時，太陽電池的最大輸出電流跟隨增加，太陽電池的最大輸出電壓卻明顯降低。0 5 10 15 20 2500.511.522.533.54Iout v.s. Vout at different temperaturevoltA25 OC100 OC50 OC75 OC0 5 10 15 20 2500.511.522.533.5Iout v.s. Vout at different ESRvoltARs0Ohm Rs0.25Ohm Rs0.5Ohm 圖 4 不同溫度，固定日照量下的 I-V 特性曲線 圖 5 固定溫度與日照量下，不同等效串聯電阻的 I-V 特性曲線圖 5 是 SM50 在固定溫度，固定日照量下，不同等效串聯電阻 Rs 的 I-V 特性曲線，由於在式 2-1中，太陽電池的內部等效二極體端電壓決定二極體的電流 ID，而等效二極體端電壓中包含太陽電池的等效串聯電阻 Rs，因此太陽電池的等效串聯電阻的變動也會影響太陽電池的 V-I 特性。 觀察圖 5 吾人發現，在固定溫度，固定日照量下，太陽電池的等效串聯電阻增加，其短路電流與開路電壓雖然沒有變動，但是其 V-I 平面所包含的面積卻跟著減少，這代表最大功率的減少。經由以上的模擬分析，吾人將在下一節依循太陽電池最大功率輸出控制器中的線性控制法 [21,22] ，以 SM50 太陽電池為實驗對象探討線性控制法的特性，並針對其對溫度變動時無法準確達到最大功率輸出的原因加以實測探討，以期進一步研究出改善此缺失的方法，如此便可以研製出一套既準確又快速響應的太陽電池最大功率輸出控制器。3. 太陽電池最大輸出功率控制器文獻上所發現的諸多太陽電池最大輸出功率控制方法中，線性控制法 [21,22] 是一個響應快速的方法之一，由於其需要較準確的參數值，因此也潛在某些缺點。但是由於今日數位信號處理器快速發展之下，憑藉著其快速運算能力，使得及時運算出各種參數變為可行。吾人於是針對線性控制法的特性予以探討與模擬，並從中觀察出溫度變動時傳統線性控制法無法準確追蹤到最大輸出功率點的現象，而其解決方法將有賴將來以數位信號處理器為控制核心的控制架構來解決。在文獻 [21] 中，太陽電池最大輸出功率線性控制法的推導是以式 2-1 與 2-2 為核心，推導出在固定溫度與固定等效串聯電阻情況下，在 P-V 平面上，當不同日照量時，太陽電池最大輸出功率與對應的最大輸出功率點的電壓的非線性關係式，並將此關係式繪於 P-V 平面上，則藉著此條最大功率 P-V 曲線與當時日照量下的 P-V 曲線交點來作為最大功率輸出點。而控制功率轉換器達到此最大功率輸出點的方法只需要簡單的 PI 控制器便可以在幾十毫秒之內追蹤到最大功率輸出點。而另一最大輸出功率線性控制法 [22] 的推導也是以式 2-1 與 2-2 為核心，推導出在固定溫度與固定等效串聯電阻情況下，在 P-I 平面上，當不同日照量時，太陽電池最大輸出功率與對應的最大輸出功率點的電流的非線性關係式，並將此關係式繪於 P-I 平面上，藉著此條最大功率 P-I 曲線與當時日照量下的 P-I 曲線交點來作為最大功率輸出點 。 而控制功率轉換器達到此最大功率輸出點的方法也是只需要簡單的 PI 控制器便可以在幾十毫秒之內追蹤到最大功率輸出點。以上兩種方法所推導出的最大功率關係式是一複雜的非線性隱函數，由表面看來，要實現它是非常有挑戰性的 ;巧妙的是此兩種方法在 P-V 平面或在 P-I 平面上的最大功率曲線在以上固定溫度與固定等效串聯電阻情況下，卻都非常接近一條直線，因此在實做上，大大減少了以類比電路實現上的困難。然而吾人在本文前段提過，實際的太陽電池都裝置於戶外容易受到日光照射之處，並且考慮所處的經緯度來決定裝置方向與傾斜角度以獲得最大的ㄖ照量，太陽電池所受的ㄖ照量與表面溫度可說是時刻都在變動。所以線性控制法只解決了變動ㄖ照量的問題 ， 留下溫度與等效串聯電阻的變動造成的問題 。 圖 6 則是 SM50在溫度 T25 OC 與 35OC 時的最大功率 P-V 與 P-I 曲線。吾人發現無論是 P-V 曲線或 P-I 曲線，在不同溫度之下的斜率是不同的，在此模擬中溫度差異是 10 OC，此種溫度差異在台灣的氣候中是時常發生的，因此其造成的誤差也是不可忽視的。0 5 10 15 20 250102030405060Pout v.s. Vout at different sunshinevW25 O C35 OC0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50102030405060Pout v.s. Iout at different sunshineAW25 OC35 OCaP-V 特性曲線 bP-I 特性曲線圖 6 SM50 在溫度 T25 OC 與 35OC 時的最大功率 P-V 與 P-I 曲線4.實驗結果本計畫目的在建立一太陽能發電儲能系統，將所收集的太陽能儲存於蓄電池中，這些蓄電池將供給本系研製電動車的電能來源。本計畫中執行電能轉換的電力電子轉換器如圖 7 所示，其中尤其重要的部分是最大功率輸出控制器，此一控制器將使得在相同溫度與日照量情況下使太陽能光電板輸出最大功率，以提高本發電系統的效率。圖 8 是最大功率輸出控制器的實體照片，圖 9 是本計畫使用的太陽電池陣列實體照片。最大輸出功率控制器蓄電池儲能系統直直流轉換器太陽能光電板DCDC圖 7 系統方塊圖 圖 8 最大功率輸出控制器的實體照片圖 9 本計畫使用的太陽電池陣列實體照片根據圖 7 的架構，吾人將本系統的硬體分為電力電路部分與控制電路部分，電力電路主要是一昇壓轉換器，其輸入為太陽電池陣列的端點，輸出連接一組待充電的蓄電池，蓄電池的額定電壓為 36 伏特或48 伏特。圖 10 是升壓轉換器的閘極信號（上圖）與升壓電感上對應的電流波形（下圖） ，圖中電流平均值為 1.85 安培，升壓電感的電流工作於連續模式 CCM ，此升壓轉換器的切換頻率為 51KHz 。圖 10 升壓轉換器的閘極信號與對應的電感電流波形 圖 11 太陽電池的輸出電流，輸出電壓與輸出功率的實測波形圖 11 是 2002 年十一月六日上午十時測得在最大功率輸出控制之下 SM50 太陽電池的輸出電流（上圖） ，輸出電壓（中圖）與輸出功率（下圖）的實測波形，此時太陽電池的輸出電流為 1.96A ，輸出電壓為 31V ，輸出功率為 60.9W 。圖 12 是對應圖 11 測得的最大功率輸出控制器輸出到一電動腳踏車 36 伏特的蓄電池組的波形。上圖是最大功率輸出控制器的輸出電流，中圖是輸出電壓，下圖是輸出功率的實測波形，此時最大功率輸出控制器輸出電流為 1.23A ，輸出電壓為 46.2V ，輸出功率為 57.2W 。以上數據可以估計此一最大功率輸出控制器的能量轉換效率為 94。圖 13 是顯示若利用傳統線性控制法，以溫度 25OC 之下的 P-V 曲線做控制的實測波形。依照控制器產生的太陽電池輸出電壓命令應該為 33 伏特（如圖 13 的中圖所示） ，此時所測得的功率輸出為 59.2W ，與圖 4-7 的 60.9W 少了 1.7W ，由此可見線性控制法中考量溫度的補償是需要的。圖 12 最大功率輸出控制器的輸出電流， 圖 13 利用傳統線性控制法，以溫度 25OC 的 P-V 曲線輸出電壓與輸出功率的實測波形 控制的實測波形5.結論本計畫目的在建立一太陽能發電儲能系統，將所收集的太陽能儲存於蓄電池中，這些蓄電池將供給本系研製電動車的電能來源。因為太陽電池的製造技術已經成熟，有些公司已經量產並在市場中銷售，執行本計畫的關鍵便集中在電力電子轉換技術上。本計畫首先針對太陽電池光電轉換的第一級最大功率輸出控制器的各種控制方法的優缺點做介紹之後，選定其中響應較快速的線性控制法為對象深入探討，並考慮日照量，溫度與等效串聯電阻的變動對線性控制法的影響，從中歸納出溫度的變動會影響線性控制法最大功率追蹤的準確度，因此吾人提出一構想利用溫度感測器配合快速的數位信號處理器可以達到變動最大功率 P-V 斜率或最大功率 P-I 斜率的目標 。 本計畫實際製作完成一 100W 太陽電池最大輸出功率控制器將太陽能儲存於蓄電池中，此蓄電池目前是提供為本系一部電動腳踏車的電源使用。本計畫所製作的功率轉換器其效率經量測達 94，並且已經在本系的電力電子實習課程中展示其整體架構與運轉細節 。 綜觀以上的成果 ， 在經費與時間的限制之下 ， 本計畫已經初步完成了本計畫書中所提出的三點成果 1建立一個太陽能發電系統以彰顯本系的特色。 2 本計畫可以同時發展電力電子轉換器的基礎技術。 3 本計畫的成果可以結合電力電子課程並倡導再生能源的利用，使學生在專業技術上以及在保護環境的環保觀念上都有正面的教育意義。6.參考文獻[1] 黃秉鈞 , “ 我國太陽光電能發展前景 ” , 太陽能學刊 , 1996[2] Billinton, R., Karki, R., “ Capacity expansion of small isolated power systems using PV and wind energy, ” IEEE Transactions on Power Systems, V olume 16 Issue 4, Nov. 2001, pp.892-897 [3] Bleijs, J.A.M. and Gow, “ A.Fast maximum power point control of current-fed DC-DC converter for photovoltaic arrays , ” Electronics Letters, Volume 37 Issue 1, Jan. 2001, pp.5 –6 [4] Duryea, S., Islam, S. and Lawrance, W. “A battery management system for stand-alone photovoltaic energy systems ”, IEEE Industry Applications Magazine, V olume 7 Issue 3, May-June 2001, pp.67 – 72 [5] Liang, T.J., Kuo, Y.C. and Chen,J.F., “ Single-stage photovoltaic energy conversion system,” IEE Proceedings-Electric Power Applications, V olume 148 Issue 4 , July 2001, pp.339 – 344 [6] Shimizu, T., Hirakata, M., Kamezawa, T. and Watanabe, H. “ Generation control circuit for photovoltaic modules,” IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 16 Issue 3, May 2001, pp.293 –300 [7] Giraud, F.and Salameh, Z.M. “ Steady-state performance of a grid-connected rooftop hybrid wind-photovoltaic power system with battery storage, ” IEEE Transaction on Energy Conversion, V olume 16 Issue 1, March 2001, pp.1 – 7 [8] Yeong-Chau Kuo, Tsorng-Juu Liang and Jiann- Fuh Chen, “Novel maximum-power-point-tracking controller for photovoltaic energy conversion system, ” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume 48 Issue 3, June 2001, pp.594 – 601 [9] Wei-Fu Su, Shyh-Jier Huang and Chin- E Lin, “Economic analysis for demand-side hybrid photovoltaic and battery energy storage system,” IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 37 Issue 1, Jan.-Feb. 2001, pp.171 – 177 [10] Saied, M.M., “A study on the matching of DC motors to photovoltaic solar arrays, ” Proceedings of the Fifth International Conference on Electrical Machines and Systems, V olume 1, 2001, pp.652 – 655 [11] Chen Kunlun, Zhao Zhengming and Yuan Liqiang, “Implementation of a stand-alone photovoltaic pumping system with maximum power point tracking, ” Proceedings of the Fifth International Conference on Electrical Machines and Systems, V olume 1, 2001, pp.612 – 615 [12] Sun Xiaofeng, Wu Weiyang, Wang Baocheng and Wei Xiaogui, “ A research on photovoltaic energy controlling system,” Proceedings of the Fifth International Conference on Electrical Machines and Systems, Volume 1, 2001, pp. 542 – 545 [13] Dehbonei, H., Nayar, C., Borle, L.and Malengret, M., “A solar photovoltaic in-line UPS system using space vector modulation technique,” Power Engineering Society Summer Meeting, 2001, Volume 1, 2001, pp.632 – 637 [14] Woyte, A., Van den Keybus, J., Belmans, R. and Nijs, J., “ Grid-connected photovoltaics in the urban environment-an experimental approach to system optimisation, ” Eighth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives, IEE Conf. 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